PARTE 7_QFL2143_2013

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CARBONO e SILÍCIO 
Química dos Elementos 
 Ocorrência de carbono na natureza 
Petróleo 
Gás 
natural 
Carvão 
Carbonatos 
metálicos: 
Diamante 
Grafite 
Calcita CaCO3 
Conchas (CaCO3) 
Magnesita (MgCO3), dolomita (CaCO3.MgCO3) 
Atmosfera 
CO2 
ALÓTROPOS DE CARBONO 
A
E
E
S
D
R
X
/ D
O
S
 –
 2
0
0
6
 
 FULERENO C60 
1980´s 
20 faces hexagonais 
+ 12 faces pentagonais 
 
Estrutura tensionada: 
Csp2 com ângulos de 108o 
SÓLIDO MOLECULAR 
Solúvel em solvente orgânico 
DIAMANTE 
Csp3 
GRAFITE 
Csp2 
 Cdiamante Cgrafite 
DGo = - 2,9 kJmol-1 Ternodinamicamente favorecida 
Cineticamente desfavorecida (alta Ea) 
Cgrafite 
Cdiamante 
Eativação 
Ereação 
E 
PROPRIEDADES FÍSICAS DIAMANTE GRAFITE 
Ligação C-C 
Ponto de fusão (oC) 
Densidade (g cm-3) 
Dureza (escala Mohs) 
E band gap (kJmol
-1) 
1,42 Å 1,54 Å 
3730 3930 
2,266 3,514 
< 1 10 
0 (condutor) 580 (isolante) 
Maiores reservas de grafite (2009): 
 
Brasil: 45,7 % reservas lavráveis 
 
China, India 
Maiores produtores de 
grafite natural (2009): 
 
1º. China, 2º. Índia (84,7%) 
 
3º. Brasil (MG e BA) 
GRAFITE 
Química dos Elementos 
Destino da grafite 
no Brasil (2009) 
Indústria siderúrgica 
e fundição 
Baterias 
Refratários 
Tintas 
e Vernizes 
Graxas 
 Lubrificantes 
Produção mundial < consumo  
grafite sintética 
SiO2(s) + 3 Ccoque (s)  SiC (s) + 2 CO (g) 
 
SiC (s) Si (g) + Cgrafite 
2500oC 
Uso mundial: 
fabricação de eletrodos 
lubrificantes, lápis 
manufatura do aço 
cadinhos refratários 
fibras e tecidos 
GRAFITE 
Química dos Elementos 
COMPOSTOS DE INTERCALAÇÃO 
K(g) K+ 
Grafite é reduzida 
(lamelas negativas) 
semicondutor condutor 
Br2 Br- 
Grafite é oxidada 
(lamelas positivas) 
semicondutor condutor 
Br- 
K 
Br2 
2 
Brilhante: diamante polido 
Avaliação de diamantes: 
1 quilate = 200 mg de diamante 
 Maiores reservas de 
 diamante (2009): 
 Rep. Dem. Congo 
 Botswana 
 Austrália 
 Brasil: 7,5% 
 (Mato Grosso, 73% 
 MG, 25%) 
Maiores produtores de diamante 
natural em bruto (2009): 
Fed. Russa (28%) 
Rep. Dem. Congo (17%) 
Botswana (14%) 
 
Brasil (Mato Grosso, MG) – 0,02% 
Química dos Elementos 
Estrutura cúbica 
insolúvel 
isolante elétrico 
macromolécula, 
duro, incolor 
Usos diamante natural: 
pedras preciosas, 
fabricação de jóias 
Usos diamante industrial: 
brocas ou abrasivos 
 para corte e 
 polimento 
DIAMANTE DIAMANTE Consumo diamante industrial 
> Produção 
demanda suprida por diamante sintético 
Química dos Elementos 
HPHT = APAT 
alta pressão 
alta temperatura 
+ uso de catalisador 
Processo apresentado 
pela General Electric (1955) 
Cgrafite Cdiamante 
2500oC 
~ 105 atm 
catalisador 
Micrografia da 
Superfície do filme 
(escala: mm) 
Química dos Elementos 
Filmes de diamante: 
síntese CVD 
(chemical vapor deposition) 
Reagentes 
(CH4 + H2) 
vácuo 
Aquecedor 
(W a 600-900oC) 
Superfície do 
substrato 
Fonte de 
carbono 
diamante 
grafite 
E 
Usos filmes de 
diamante: 
 
utensílios de corte 
cirúrgico 
 
brocas 
odontológicas 
Fio de tungstênio 
revestido com filme 
de diamante 
Química dos Elementos 
FULERENOS Solúvel em solvente orgânico 
(sólido molecular) 
Preparação: 
Possíveis usos: 
baterias (reações redox) 
 medicamentos 
 supercondutores 
C60 modificada 
(solúvel em água) 
Arco elétrico é descarregado 
entre eletrodos de carbono em 
atmosfera inerte: fulerenos são 
separados por cromatografia 
K3C60 
Fulereno no sítio ativo da 
HIV-1 protease 
Química dos Elementos 
Material mais forte conhecido, 
100-200 vezes mais do que o aço 
OUTROS CLUSTERS DE CARBONO 
Nanotubos 
de carbono 
Condutividade elétrica alta; 
Opacidade; resistência. 
 
Dispositivos eletrônicos 
Baterias 
Armazenamento de gases 
 
Altíssimo custo !! $$$$$$ 
Grafeno 
Negro de fumo 
carvão 
coque 
Carvão ativado 
CARBONO PARCIALMENTE CRISTALINO 
ou NÃO-CRISTALINO 
Química dos Elementos 
Fibras de carbono 
Pequenas partículas 
Grande importância comercial 
Suas estruturas não são conhecidas, 
mas sugere-se que sejam semelhantes 
à do grafite. 
Diferem quanto ao grau de 
cristalinidade e formato de partículas 
3 
Produzido a partir do aquecimento (carbonização ) 
do carvão em altas temperaturas e ausência de ar 
USOS 
COQUE 
Extração 
metalúrgica de 
Ferro 
e outros metais 
(agente redutor) 
Química dos Elementos 
Agente 
redutor 
CARVÃO 
Altos valores! 
Carvão de qualidade 
abaixo da desejada... 
Composição do carvão mineral brasileiro: 
59,87% C 
3,78% H 
7,01% O 
2,51% S 
26,83% cinzas 
NEGRO DE FUMO Produzido a partir da combustão de 
hidrocarbonetos (óleo ou gás natural) em 
atmosfera deficiente em oxigênio 
Química dos Elementos 
USOS 
Indústria de 
borracha para 
fabricação de pneus 
(90%) 
 (melhora resistência à 
abrasão e cortes; 
 confere dureza; absorve 
radiação UV, 
aumentando tempo de 
vida da borracha) 
Pigmento (fabricação 
de tintas para 
impressão; 
coloração de plásticos, 
graxas de polir 
sapatos) 
Papel 
carbono 
Composição média 
do negro de fumo: 
80-99,5 %C 
0,3-1,3 %H 
0,5-15,0 %O 
0,1-0,7 %N, S 
Propriedades 
 importantes: 
fotoestabilidade 
e insolubilidade 
Carbono 
finamente dividido 
Produzido na pirólise controlada de 
material orgânico (madeira, 
casca de côco etc.) 
CARBONO ATIVADO 
(“carbonos porosos”) 
Química dos Elementos 
USOS 
Descoloração do açúcar 
Propriedades importantes: 
partículas muito pequenas 
alta área superficial (1000 m2 /g), 
superfície ativa (adsorção) 
Filtros para água 
 de beber 
Indústria farmacêutica 
e de alimentos 
Máscaras de gás 
Suporte para 
catalisadores 
(metais) 
Para tornar adsorção mais 
específica: impregnação da superfície 
com outros compostos como 
 S para reter vapor de Hg; 
MnO2 para reter formaldeído; 
compostos de iodo para 
 remover H2S 
Fibras de C 
+ resina epóxi 
raquetes de tênis 
Compósitos 
com polímeros orgânicos 
 (resistência mecânica, baixa densidade) 
Fibras de carbono 
Química dos Elementos 
C
N
C C
N N
n
Polímero orgânico 
ex.: poli(acrilonitrila) 
estiradas 
Oxidação a 
200-300oC 
Aquecidas a 
1000-2000oC 
FIBRA DE CARBONO 
USOS 
Fibra: lamelas de grafite 
 sem orientação 
material constituído de 
 dois ou mais materiais 
 diferentes 
Aviões, 
 navios 
Química dos Elementos 
 Ocorrência de silício na natureza 
Ametista (SiO2 + “impureza”) 
Opala (SiO2 amorfo) 
Quartzo (SiO2) 
Quartzito (SiO2) 
Areia (SiO2) 
Sandstone (SiO2) 
 FORMAS ELEMENTARES DE CARBONO E SILÍCIO 
Silício (Si) 
Química dos Elementos 
Energias de ligação (kJ/mol): 
 
C-O 360 Si-O 464 
 
C-C 348 Si-Si 226 
Por que não 
ocorre na forma 
elementar na 
natureza???? 
4 
PbS HgS FeS2 ZnS 
C Ge Propriedades 
Abundância na crosta (ppm) 
Número atômico 
Conf. eletrônica camada valência 
Energia de Ionização / kJ mol-1 
Ponto de fusão subst. simples / oC 
Eletronegatividade (escala Pauling) 
Raio covalente (pm) 
180 272 000 1,5 2,1 13 
 6 16 32 50 82 
2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 
1086 786 760 708 715 
4100 1420 945 232 327 
 2,5 1,8 1,8 1,8 1,8 
0,77 1,17 1,22 1,40 1,46 
Si Pb Sn 
Q
u
ím
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a
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o
s
 E
le
m
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s
 
 PROPRIEDADES DOS ELEMENTOS DO GRUPO 14 
C(diamante) 
Pb 
diamante 
isolante 
semicondutor 
silício 
Estrutura Cristalina e Caráter Condutor 
Química dos ElementosEstrutura Cristalina 
Condutores, semicondutores 
e isolantes 
Isolantes e Semicondutores com 
 Estrutura do tipo Diamante 
Eg > 3 eV 
 ~ 300 kJmol-1 
Semimetal metal 
Cdiamante 
Propriedades dos sólidos do grupo 14 
 (estrutura do diamante) 
Elemento Do(kJ/mol)
# Eg, eV (l, nm)* 
 C 346 5,5 (230) 
 Si 222 1,1 (1100) 
 Ge 188 0,66 (1900) 
 a-Sn 146 < 0,1 (12000) 
# Energia de dissociação 
* Energia do “gap” a 300K 
Produção de silício (redução carbotérmica): SILÍCIO 
Química dos Elementos 
Usos do Si metalúrgico: 
~ 60% para fabricação de ligas 
 não-ferrosas (ex.: c/ Al) 
~37% para a indústria química 
 (preparação de compostos 
 de Si como silicones) 
3% aplicações eletrônicas 
 SiO2 + 2 Ccoque  Si + 2 CO 
(excesso) 
> 2000 K 
Grau eletrônico 99,99999% 
e policristalino 
 
No equipamento para CVD: 
SiHCl3(g) + H2(g) Si(s) + 3 HCl(g) 
Produção de silício de alta pureza: 
 
 
Si(s) + 3 HCl(g) SiHCl3(g) + H2(g) + calor 
Purificado 
por destilação 
 ~1000oC 
Grau metalúrgico 
~98% Si; 0,5% Fe 
0,4% Al e outros 
5 
Técnicas de crescimento 
de cristal 
Si monocristalino 
~ 95% dos dispositivos 
eletrônicos de silício 
SILÍCIO 
Método 
Czochralski (85%) 
Produção de células solares 
 
 
CÉLULAS FOTOELETROQUÍMICAS 
semicondutor 
e- 
e- 
Energia solar  energia elétrica 
Silício dopado 
Quimica dos elementos 
Silício - Semicondutor DOPAGEM DO SILÍCIO 
Dopagem 
Dopagem com elemento 
com maior número de elétrons 
Dopagem com elemento 
com menor número de elétrons 
DOPAGEM DO SILÍCIO 
Com fósforo 
Química dos Elementos 
Nível 
doador 
Banda de condução 
Banda de valência 
Banda de condução 
Banda de valência 
Nível 
receptor 
Semicondutor tipo n 
Semicondutor tipo p 
DOPAGEM DO SILÍCIO 
Com alumínio 
USOS DO SILÍCIO 
ELETRÔNICO 
Usos do Si eletrônico: 
dispositivos eletrônicos 
 (c/ diodos, transistores) 
células solares 
 (p/ residências, satélites etc.) 
 sensores 
Eletrônica moderna é 
quase exclusivamente (> 95%) 
baseada em dispositivos 
 de silício 
 
 
Ceará, BR